溶胶-凝胶原理及技术

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1、溶胶-凝胶技术原理及其应用主讲：曹丽云ThemechanismandapplicationofSol-Geltechnique第一章溶胶-凝胶法的基本概念和特点第二章溶胶-凝胶法采用的原料第三章溶胶-凝胶过程的主要反应第四章溶胶-凝胶法制备块体材料第五章溶胶-凝胶法制备的纤维材料第六章溶胶-凝胶法制备纳米粉体第七章溶胶-凝胶法制备有机-无机复合材料第八章溶胶-凝胶法制备薄膜及涂层材料第一章溶胶-凝胶法的基本概念和特点一、溶胶-凝胶法基本名词术语1.前驱物(precursor)：所用的起始原料。2.金属醇盐(metalalkoxide)：有机醇-OH上的H为金属所取代的有机化合物。它与一般金

2、属有机化合物的差别在于金属醇盐是以M－O－C键的形式结合，金属有机化合物则是M－C键结合。3.溶胶(sol)：又称胶体溶液。指在液体介质（主要是液体）中分散了1~100nm粒子(基本单元)，且在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体体系。溶胶也是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗运动的体系。溶胶(sol)是（1）溶胶不是物质而是一种“状态”。溶胶中的固体粒子大小常在1~5nm，也就是在胶体粒中的最小尺寸，因此比表面积十分大。（2）最简单的溶胶与溶液在某些方面有相似之处：溶质+溶剂→溶液分散相+分散介质→溶胶(分散系)(3)溶胶态的分散系由分散相和分散介质组成1)分散介质:气体

3、，即为气溶胶；水，即水溶胶；乙醇等有机液体；也可以是固体。2)分散相:可以是气体、液体或固体，3)表1-1说明溶胶态分散系情况：分散相分散介质分散介质示例液体固体气体液体固体液体气体气体气体液体液体液体固体固体雾烟泡沫牛乳胶态石墨矿石中的液态夹杂物矿石中的气态夹杂物表1-1溶胶态分散系示例（4）根据分散相对分散介质的亲、疏倾向，将溶胶分成两类。1)分散相具有亲近分散介质倾向的：称作亲液（lyophilic）溶胶或乳胶，所谓水乳交融；2)分散相具有疏远分散介质倾向的：则称作憎液(lyophobic)溶胶或悬胶。亲液（lyophilic）溶胶：分散相和分散介质之间有很好的亲和能力，很强的溶剂化

4、作用。因此，将这类大块分散相，放在分散介质中往往会自动散开，成为亲液溶胶。它们的固-液之间没有明显的相界面，例如蛋白质、淀粉水溶液及其它高分子溶液等。亲液溶胶虽然具有某些溶胶特性，但本质上与普通溶胶一样属于热力学稳定体系。憎液溶胶：分散相与分散介质之间亲和力较弱，有明显的相界面，属于热力学不稳定体系。4.凝胶(gel)：亦称冻胶，是溶胶失去流动性后，一种富含液体的半固态物质，其中液体含量有时可高达99.5%，固体粒子则呈连续的网络体。它是指胶体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系，它是含有亚微米孔

5、和聚合链的相互连接的坚实的网络。（1）凝胶是一种柔软的半固体，由大量胶束组成三维网络，胶束之间为分散介质的极薄的薄层所谓“半固体”是指表面上是固体、而内部仍含液体。后者的一部分可通过凝胶的毛细管作用从其细孔逐渐排出。（2）凝胶结构可分为四种：1)有序的层状结构；2)完全无序的共价聚合网络；3)由无序控制，通过聚合形成的聚合物网络；4)粒子的无序结构。溶胶-凝胶技术是溶胶的凝胶化过程，即液体介质中的基本单元粒子发展为三维网络结构——凝胶的过程。（3）凝胶与溶胶是两种互有联系的状态。1)乳胶冷却后即可得到凝胶；加电解质于悬胶后也可得到凝胶。2)凝胶可能具有触变性：在振摇、超声波或其他能产生内应

6、力的特定作用下，凝胶能转化为溶胶。3)溶胶向凝胶转变过程主要是溶胶粒子聚集成键的聚合过程。4)上述作用一经停止，则凝胶又恢复原状，凝胶和溶胶也可共存，组成一更为复杂的胶态体系。5)溶胶是否向凝胶发展，决定于胶粒间的作用力是否能够克服凝聚时的势垒作用。因此，增加胶粒的电荷量，利用位阻效应和利用溶剂化效应等，都可以使溶胶更稳定，凝胶更困难；反之，则更容易形成凝胶。能使蛋白质变性的化学方法和物理方法很多，主要的有：1．加热，2．机械力（冷冻、声波振荡、机械振荡、搅拌和研磨、加压等)，3．紫外线照射，4．辐照，5，有机试剂(酒精、丙酮、尿素、苯酚及其衍生物)，6．无机试剂(强酸、强碱、重金属盐、碘

7、化物、硫氰酸盐等)，7．蛋白酶等。（5）凝胶在干燥后：形成干凝胶或气凝胶，这时，它是一种充满孔隙的多孔结构。6）通常由溶胶制备凝胶的方法有溶剂挥发、冷冻法、加入非溶剂法、加入电解质法和利用化学反应产生不溶物法等。（4）凝胶可分为：易胀型(如明胶)和非易胀型(如硅胶)两类；凝胶又分为弹性凝胶和脆性凝胶。5.胶凝时间(gelpointtime)：在完成凝胶的大分子聚合过程中最后键合的时间。6.单体(monomer)：一种简单